开发可行运营模式，实现LTE潜力

开发可行运营模式，实现LTE潜力

 为满足移动通信市场数据流量指数级增长的需要，运营商们在保持相对稳定的网络成本的同时正纷纷转向LTE技术。由于LTE把无线网络智能管理功能放在了eNodeB之内，因而传统监测工具已不再具备接入和监测能力。鉴于此，为了应对这一挑战，新一代移动通信技术和性能监测解决方案应运而生。
 
图1: 数据业务模型 – 经济学模型
[左图图示内容：]
Voice Dominant:语音业务主导
Traffic: 数据业务流量
Revenues & Traffic Decoupled: 收益与数据业务流量关系
Revenues: 收益
Data Dominant: 数据业务主导
Time: 时间
[右图图示内容：]
Traffic Volume: 数据业务流量
Voice Dominant: 语音业务主导
Netwokr Cost (existing Technologies): 网络成本(现有技术)
Revenue: 收益
Portability: 业务移植
Network Cost (LTE/SAE): 网络成本(LTE/SAE)
Data Dominant: 数据业务主导
Time: 时间
LTE效率挑战
   Apple iPhone和类似设备的推出，导致移动数据业务流量大幅上升。在第一批HSPA覆盖区域内，移动宽带业务流量迅速超过了语音业务，其中50%以上流量更是与iPhone的使用有关。在大多数国家，由于竞争激烈，许多运营商被迫提供统一费率的移动宽带套餐，其结果是尽管移动宽带需求猛增，但平均每个用户收入(ARPU)却保持不变。一部iPhone或与iPhone类似的智能手机生成的流量要相当于30部语音/短信型手机所生成的流量，而一张笔记本电脑无线网卡生成的流量则相当于450部语音/短信型手机所生成的流量。因此，预计到2013年，移动宽带业务将占到所有移动业务份额的80%以上。为在这种新环境中生存，运营商们必需降低或使运营费用(OPEX)保持不变，而同时又需要能够提供大幅增长的业务流量。
   为了建立一种商业模式以减弱业务流量对网络成本造成的影响，运营商们正迅速把自己的网络升级到高效的全IP分组交换矩阵网络（all-IP packet switched matrices）。仅仅在一年前，4G还被作为四种技术之间的竞争而被提及，即LTE、WiMAX、UMA和UMB。随着萦绕着4G技术烟雾逐渐被澄清，LTE技术最终胜出。UMA和WiMAX仍将作为小规模使用的技术存在，而UMB技术则在2008年11月被高通公司废弃。随着基于3GPP和CDMA的技术有了明确的演进道路，LTE将提供一种通用的4G技术，并在可预见的未来，实现独一的、相互兼容的全球通信构架。
通信革命
   LTE技术在保证与现有的3GPP和CDMA网络共存的基础上，在其无线接入网和核心网中都引入了重大变革。早期2.5G和3G的无线接入网现在都辅以演进型UTRAN (E-UTRAN)。2.5G和3G基站将被新的eNodeB所取代，而核心网则会被EPC替代。这一网络构架与E-UTRAN和其它接入网被统称为系统架构演进(SAE)。SAE提供了两个新的功能单元：移动管理实体(MME)节点，负责信令控制；SAE网关，负责处理用户平面。

强健的接入技术 
图2: 把信号分担到多个副载波中改善了信号的强健性

Transmitter: 发射机
Receiver: 接收机
Interference: 干扰
   LTE采用全IP网络，摒弃了传统的ATM连接方式。eNodeB越过无线网络控制器(RNC)，采取直接与MME和SGW相连的方式。正交频分复用(OFDM)无线接入技术被用于下行链路而单载波频分多址(SC-FDMA)技术则被上行链路所采用。采用基于单载波的OFDM技术，其主要优点是能够应对各种复杂的信道条件。它可以根据与信道条件有关的反馈信息，实现用户到副载波的自适应指配。这样，细化后信号中即使发生了很小比例的数据丢失，也不会对信号的接收和感知产生负面的影响。
多入多出(MIMO)天线技术同时应用于上行链路和下行链路。通过把多部发射机和接收机植入天线中，发射机和接收机可以使用一系列副载波实现信号的传送，从而保证在发生干扰时不受到影响。LTE的调制解调方案 – 64-QAM/16-QAM/QPSK – 保证了在距离增大时信号强度的稳定性。动态带宽分配技术实时监测网络，在用户发生干扰或收到其它过强信号影响时，基站会为受干扰的数据流分配更多的带宽和功率。
全IP业务
   LTE中的语音通信采用IP语音(VoIP)实现，要求时延低于150毫秒(ms)。LTE在无线侧交互中只引入了不到10ms的非常低的时延，从而满足了这一要求。在有线侧，无论是VoIP被叫实体、网络服务器、还是IPTV服务器等等，用户与设备间端到端的时延则要高出一个量级，为接近100 ms。
 
图3: 元层诊断图

SON Diagnostics: SON诊断

节约运营成本
   在运营和效率方面，LTE把通信网络提升到全新的水平。许多主要运营工作都自动完成，如配置、优化和问题识别，以最大限度地降低相关的运营成本。这些自主的自动化流程由诸如MME及运营和管理中心(OMC)这样的二级实体设备控制，这些设备控制和管理着某个网段或整个网络范围内发生的本地行为。传统诊断功能将被移植到元层诊断方式中，其具体包括：
自行配置: 中央配置服务器把新网元自动与网络关联起来。针对如DHCP和NETCONF等协议扩展设置运营和安全参数，只需要很少或根本不需要人员干预。
自行优化: 对于重复的优化任务，如相邻小区列表优化、覆盖和容量优化、移动强健性优化和移动负载均衡优化，均在eNodeB第一层使用强大的自主知识产权的算法内部完成。
  自动问题识别和自我修复: 使用一套严格定义的规则和精心选定的KPI，在第一级响应层就自动识别和处理常见问题。当整个小区发生中断时，可以使用预先定义的相邻小区管理策略予以补偿。
高效运营模式的需求
   尽管全球达成一致把LTE作为通向4G的唯一技术，并在网络部署速度和经费方面带来了巨大的机会，但可行的LTE运营模式仍在探讨过程中。特别是，LTE运营和维护需求给监测系统带来了重大的挑战。首先，它需要能监测大量的数据。一台用户设备(UE)终端最多可以支持100 Mbits/s，一个小区最高可以支持330 Mbits/s的数据速率。这使得10 Gbits/s有线接口成为标准接口。
   第二，摒弃RNC意味着将不会再有RNC和eNodeB之间接口上的测量报告。而这个接口在以前一直用来捕获重要数据，如每条连接消耗多少带宽及重传控制。一种替代方案是接入空中接口，但这种方式却又需要配备复杂昂贵的频谱分析工具。幸运的是，网络设备制造商们开始提供标准的跟踪或日志端口，来接入eNodeB内部隐藏的流程。
  监测系统所面临的第三个挑战则源自LTE中去掉了电路交换，以实现全IP网络。被保护的64kByte信道将消失。行为特点差异非常大的各种业务都将实时地使用同一个传输架构传送，因此部署高效的QoS监测工具就先的尤为重要。多家运营商正推动实现LTE插件标准(VoLGA – 通用接入承载的LTE语音)，以期继续在LTE接入网上使用电路交换业务，足以说明这一挑战之大。即使这一标准成功实现，但由于LTE中绝大部分业务是XoIP，用户平面诊断在4G中的重要程度较以前也要大大提高。

  自动自行优化网络(SON)功能是4G网络运营中的关键要素。它们提供了网络监测、数据采集和解析以及精心设计的调试、验证和认证程序，以保证SON运行。自动化功能能够大大减少长期内要求的维护工作量。但它们只在90%的时间内有效，因此必须监测和诊断这些功能。此外，SON由基于一定规则的专家系统组成，在一致性测试和验收测试中必需验证这些系统。
 
图4: LTE RAN测试策略
数据采集时间 备注 RAN服务器 追踪端口上的RAN代理 Uu探头 Dol (%)
24/7/365  仅S1 CP和X2 X   10
24/7/365  基于Uu、X2和S1 CP关联，进行永久监测和KPI计算 X X  50
定期“按需调试”  按需监测eNodeB子集，进行调试及分析根本原因
 RAN服务器/OSS，根据点击拓扑模型，配置按需检索操作
 监测Uu、X2 S1CP和S1UP X X  80
战术性“基于场景的调试”  选择少量的相关eNodeB
 使用Uu探头，基于场景进行监测
 监测Uu、X2 S1CP和S1UP    

开发监测和测试战略
   图4说明了从各种无线接入网(RAN)诊断策略的分析中，我们可以看到数据采集成本和时间与洞察深度(DOI)之间的矛盾。安装了无源探头的RAN以无源方式嗅探控制平面，捕获S1和X2接口上转发的信令消息。这种方法成本低、方便，可以实现一年365天、一周7天、全天24小时运行。但是，如其右栏所示，其提供的DOI约为最完善的方法的10%。
    RAN代理方法在两种工作模式下提供了额外的DOI。在低负荷模式下，数据跟踪、日志和计数器从专有的eNodeB跟踪端口中提取。一般情况下，还包括来自Uu接口的空中接口运营相关的数据。然后这些信息由RAN代理处理，以KPI和计数器的形式通过S1回程发回中央监测系统，然后可以与S1、CP和X2接口上的探头系统所采集到的信息关联起来。跟踪接口上提供的其它数据可以把DOI提升到高达50%。这种方法提供的诊断能力取决于跟踪端口的功能和性能，这在不同制造商之间差异非常大。
    在高负荷模式下，RAN代理提供完整的呼叫跟踪和数据包解码功能及KPI和计数器。需要回程传送的数据量明显要大于低负荷模式，正因如此，这种方法通常作为运维活动的一部分使用，而不是一周七天、全天24时使用。在测试、调试或优化活动期间，专家通常会亲临现场，运行系统。在需要把数据与其它远程接口关联起来时，专家会手动把数据传回中央监测系统。也可以远程运行高负荷模式RAN代理，在非高峰时间内安排上传大量的测试数据。高负荷RAN代理方法的DOI可以高达80%。
    在上述方法无法提供足够信息来解决问题时，可以把Uu探头连接到公共公用无线接口(CPRI)上。Uu探头可以监测Uu接口的物理层以及更高层，并可以把这些数据与其它接口的数据关联起来。此外，CPRI接口上收集的空中接口信息完全独立于eNodeB跟踪端口上提供的空中接口信息，后者的是已经基于eNodeB本身的基带处理过的信息。
自上而下方法与自下而上方法
     调试LTE网络的基本方法有两种。自上而下方法是指先从应用层开始，考察各种性能指标，如语音质量或页面加载时间等。例如，如果语音质量有问题，那么将识别和分类各个事务，并与每个事务中的消息关联起来。调试工具根据IMSI/IMEI和其它指标过滤事件，直接接入消息细节。

     自下而上方法则需要查看各个帧的问题，如丢包或帧偏移，然后向上查看它们属于哪些连接。调试工具提供了每条协议消息的分布、统计数据图形窗口和数字窗口，按时间以图形方式显示事件，直接进入消息细节及从单个消息向上钻取到整个呼叫流程。
 
图5: LTE诊断架构
[图示内容：]
Tektronix LTE Test System: 泰克LTE测试系统
Tektronix Ethernet Probes: 泰克以太网探头
Tektronix High Speed IP Probe: 泰克高速IP探头
Tektronix Air Interface Probe: 泰克空中接口探头
测试结构布局
  图5概括了我们建议的被动监测测试系统的架构。其基本理念是围绕三个关键网元，即：eNodeB、MME和SGW，同时覆盖其每个周边接口。
   为确定eNodeB运行情况，接入第一层和第二层无线接口信息至关重要。经济高效测试的关键是能够实时提供信息，并用清楚精确的图形表示这些信息，允许用户立即识别被观察的行为是否满足要求的性能指标。供应商们正日益采用CPRI代替天线和基站之间昂贵的RF连接。通过eNodeB上的CPRI端口，可以支持多级物理层分析，并使用户全面了解RF层的运行情况。
    通过CPRI端口采集关键空中接口的数据，可以使运营商深入挖掘eUTRAN网络的物理层。RF参数测量提供了物理层分析功能，如输入功率和接收带宽、时钟和时间偏移及频率偏移等。通过对输入功率、接收带宽和时钟、时间和频率偏移等参数的测量，就可以进行对RF的连接分析。通过使用时域和频域信令、资源模块、OFDM符号和副载波使用情况等图形化视图，可以检验资源使用的情况。当然，还可以通过使用CQI、HARQ、BER和CRC测量分析功能，来考察信道质量和错误控制。
向上分析OSI模型的下一层--MAC层也只能通过CPRI方式进行。调度器功能保证eNodeB根据可用的小区容量、无线条件和要求的服务质量为用户分配相应的频率和时间资源，这对保证网络正常运行至关重要。监测调度器性能可以提供关键信息，用以确定可以怎样修改调度算法，从而提供更优质的服务性能。
     将S1和X2接口控制和用户平面关联分析与CPRI链路上的Uu分析相结合，可以360°全方位了解eNodeB运行情况。把用户平面、信令信息和无线参数结合起来的图表可以帮助优化工程师确定RF问题对上层用户平面数据承载性能的影响。同时，小区级图表展示了小区性能如何随负荷及流量模式的不同而变化。通过把多个接口上的数据关联起来，就可以简便地计算各网元相关时延。在LTE网络内部传送时及在LTE和其它技术之间切换时，可以跟踪用户呼叫和会话。
     自动把被监测接口上的用户呼叫和活动关联起来，可以概括了解每个呼叫及最重要的属性。通过向下钻取比特级细节的功能，用户可以深入到希望考察指标的一个呼叫子集上。对于特别关心的呼叫跟踪帧，可以导出并进一步执行用户平面质量分析。
     通过应用对大量数据统计分布扫描功能，用户可以迅速识别到被监测LTE接口上捕获到的那些突发的或发生频次奇高的某条消息或异常释放原因等。通过观察这一事件在不同时间的分布情况，用户可以迅速查看到问题是与某个事件有关(如网络节点重启)，还是均匀分布在整个测试周期中。通过从各条消息和事件“向下钻取”到相关呼叫跟踪，使得用户根据自己已有的经验就能够迅速地对影响到的时间进行调查分析。
 
图6: 使用泰克K2Air LTE空中接口监测仪获得的LTE第一层/第二层相关无线信息
   如果想更具体地监测LTE性能，可以使用KPI，通过映射多个参数和呼叫阶段之间的复杂关系。KPI为了解不同参数之间的相互影响提供了关键洞察能力。借助LTE KPI，用户可以确定多个业务方面的性能，如移动性管理(附着失败、切换、跟踪和位置更新成功/失败)、业务管理(无线承载分析、吞吐量分析)和无线性能(连接建立时间、重传数、资源分配)。KPI标识出存在问题的区域，然后有效地映射业务问题与网络问题之间的关系。
前景展望
  理论上，LTE拥有我们进入4G所需的一切功能，但想让它发挥效用，我们还有很长的路要走。转向LTE类似于我们十年前从固话窄带ISDN传送转向基于DSL的宽带上网。运营商面临的主要变化是开发一种运营模式，这种模式首次在移动通信网络中提供了IP级效率。复杂的自动功能、庞大的加密用户平面业务、基于无数种业务组合的复杂QoS和QoE约定、复杂的OFDM/MIMO无线接口、等等，都必须予以处理。问题将会不断被发现，而新的方法也必将被制定出来以解决这些问题。只有这样，才能实现4G庞大的潜在优势。